Artikkel

Signalbehandling: litt matematikk, litt fysikk og litt informatikk

Signalbehandling: litt matematikk, litt fysikk og litt informatikk

mexihat.png

Digital signalbehandling brukes nå over alt, men uten at så mange egentlig er klar over det. Hensikten med denne bloggposten er å få fram dette, og samtidig si noe om hvordan og hvorfor studere signalbehandling ved Universitetet i Oslo.

Alle har musikkspillere som dekoder mp3 og aac-lydfiler med signalbehandlingskretser. Mobiltelefoner bruker digital koding av talen og sender sine data med digital kommunikasjon, begge to basert på digital signalbehandling. Det samme er de nye overføringssystemene for digital TV og radio. GPS-en bruker signalbehandling når den beregner avstanden til de forskjellige satellittene. All musikk har vært gjennom mange lag med signalbehandling før den når dine ører.

Litt mer usynlig er den signalbehandlingen som foregår når bildedannelse skjer i en medisinsk ultralydscanner eller i en sonar som kartlegger havbunnen. Forskningen i vår gruppe på IFI er fokusert på dette og på å forstå hvordan akustisk bølgeutbredelse foregår i kroppsvev og vann. Det finnes mange flere slike områder. Sykehusene er fulle av instrumenter som gjør signalbehandling, fra analyse av EKG og EEG til avbildningssystemer som MR og CT. Tilstandskontroll og miljøovervåkings-systemer i oljebransjen behandler sensordata med digital signalbehandling og overfører dem digitalt. Innenfor sensorsystemer jobber vi mest med ultralyd som sammen med RFID og signalbehandling viser seg å gi bedre posisjonering av gjenstander og personer innendørs enn RFID alene, dette er en del av det som kalles tingenes internett.

Signalbehandling handler om å finne, behandle, kode og tilrettelegge informasjon som finnes som signaler. Selv om signalene som oftest varierer i tid, foregår likevel mye av signalbehandlingen med frekvens som enhet. Det er fordi et av de viktigste verktøyene er Fourieranalyse: oppdeling i individuelle frekvenskomponenter. For musikk er dette forståelig, dype bassgitarer og store trommer er bass, stemmer er først og fremst i mellomtoneområdet, og cymbalene er i diskanten. Filtrering står sentralt, for eksempel det å dempe uønskede deler, gjerne støy, fra et signal. Ofte er et filter spesifisert ut fra at det behandler de forskjellige frekvensene ulikt, men ikke alltid. Som eksempel vil et filter som hever mellomtoneområdet gjøre solister mer nærværende.

Siden en matematisk operasjon som Fouriertransform er så sentral så skulle en tro at signalbehandling er matematikk. Der finnes en rik teori om funksjonsrom og det finnes mange lignende transformasjoner å velge blant. Men signalbehandling er ikke matematikk, matematikken er bare et verktøy og et språk. Vi er mye mer opptatt av å forstå intuitivt hva formlene sier enn å bevise dem. Dessuten kan en i matematikk oftere velge en transform selv, men det går som regel ikke i signalbehandling.

Det er fysikken som setter begrensninger. Som oftest skal signalet overføres som bølger gjennom et medium: lyd i luft, trådløs kommunikasjon med elektromagnetiske bølger eller ultralyd og sonar som akustiske bølger. Alt dette er beskrevet med den samme bølgeligningen, og i løsningen av den har sinuser en helt spesiell plass, den samme sinusen som er i Fouriertransformen. Det er derfor vi har en frekvensskala i MHz på radioen eller i de siste tusen år har brukt noter. Det er ikke annet enn en spesiell måte å skrive ned Fouriertransformen til musikken på som passer veldig godt både til instrumenter og til hørselen.

Ordet digital i navnet til digital signalbehandling viser at informatikk er sentralt. Alle moderne systemer for signalbehandling er laget digitalt, med representasjon av signalene i form av sampler i tid som kodes i et antall bit. Behandlingen gjøres enten i standard datamaskiner, i spesielle DSP-er (Digital Signal Processor), i mikrokontrollere eller i spesiallagede ASIC-er (Application Specific Integrated Circuits).

Er digital signalbehandling matematikk, fysikk eller informatikk? Egentlig ingen av dem, men litt av alle tre. Det er både et teoretisk og praktisk fag på en gang. Det er dette som karakteriserer mange teknologifag, som signalbehandling må sies å være.

Siden vi ikke er organisert ut fra teknologidisipliner på Universitetet i Oslo er dette faget litt av alle ting. Det er derfor en kan studere det som del av studiet i Informatikk innenfor Tekniske og naturvitenskapelige anvendelser eller Nanoelektronikk og robotikk, eller man kan studere det i Anvendt matematikk og mekanikk eller Elektronikk og datateknologi.

Figuren viser signalbehandling i de to nederste boksene til høyre sammen med hvordan man kan studere Bildeanalyse og Mønstergjenkjenning som er den andre hovedpillaren i Gruppe for digital signalbehandling og bildeanalyse ved Institutt for Informatikk.

dsb-rekruttering.png

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)